传感器与检测技术 光电式传感器 7-2 光电效应与光电器件.pptx

第7章 光电式传感器;7.2 光电效应与光电器件;7.2.1 外光电效应及其典型器件; 由爱因斯坦的光子假说可知： （1）只有当光子的能量hf大于逸出功A时，才能发射出光电子，即才能产生光电效应；当光子能量hf恰好等于逸出功时，光电子获得的初速度v=0，此时光电子相应的单色光频率为f0，由上式有  很显然，当入射光频率f低于红限频率f0时，不论入射光强度有多大，也不能使该物体发射光电子，即不能产生光电效应。反之，当入射光频率f高于红限频率f0时，即使光强度再弱，该物体也能发射光电子，只是发射出的光电子数较少，而随着入射光强度的增加，发射出的光电子数目会逐渐增加，光电流也逐渐增大。 （2）因为一个光子的能量只能传给一个电子，所以电子吸收能量不需要积累能量的时间，当光照射到物体上时，就立即有光电子发出，据测该时间不超过10-9s。 根据外光电效应制作的光电器件类型有很多，主要有光电管和光电倍增管。; 1．光电管及其基本特性 （1）结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类。真空光电管的结构与测量电路如图7.2所示，它由一个阴极（K极）和一个阳极（A极）构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电材料，或者在玻璃管内装入柱面形金属板，在此金属板内壁上涂有阴极光电材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形或金属丝柱，置于玻璃管的中央。在阴极和阳极之间加有一定的电压，且阳极为正极、阴极为负极。当光通过光窗照在阴极上时，光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之间电场作用下，光电子在极间作加速运动，被高电位的中央阳极收集形成电流，光电流的大小I和负载电阻的压降U0会随着光照的强度变化，从而实现了由光信号到电信号的转换。; （2）主要性能 光电管的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性等来描述。下面主要介绍前三种特性。 1）光电管的伏安特性。在一定光照下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的???系称为光电管的伏安特性。真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如图7.3(a)、7.3(b)所示。由图可见，阳极电流随光照强度的增加而增加，阴极所加电压的增加也有助于阳极电流的增大。; 2）光电管的光照特性。当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的光照特性，其特性曲线如图7.4所示。其中曲线1银氧铯阴极光电管的光电流与光通量成线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比）称为光电管的灵敏度。  3）光电管的光谱特性。不同光电阴极材料的光电管，对同一波长的光有不同的灵敏度；同一种阴极材料的光电管对与不同波长的光的灵敏度也不同，这就是光电管的光谱特性。图7.5为不同材料的光谱特性曲线。从图中可以看出，不同材料对不同波长的光有不同的灵敏度。因此，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极，以使其最大灵敏度在需要检测的光谱范围内。 ; 2．光电倍增管及其基本特性 （1）结构与工作原理 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几微安，不仅不容易探测，而且误差也会很大。这时常用光电倍增管对光电流进行放大，以提高灵敏度。图7.6是光电倍增管的外形和结构图。  光电倍增管（PMT）主要由光电阴极K、电子倍增系统以及阳极A三部分组成。阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。光电倍增管是灵敏度极高响应速度极快的光探测器，其输出信号在很大范围内与入射光子数成线性关系。 电子倍增系统是由若干个倍增极组成的，每个倍增极的接收面都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。; 当有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射出新的电子，这种现象称为二次电子发射。二次电子发射能力的参量是二次电子发射系数δ，其定义为; （2）主要参数 1）倍增系数M 倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果个倍增电极的都一样，则阳极电流为  光电倍增管的电流放大倍数为   倍增系数与所加电压有关，反映倍增极搜集电子的能力，一般在105～108之间。如果电压有波动，倍增系数也会波动。一般阳极和阴极之间的电压为1000～2500V之间。两个相邻的倍增电极的电位差为50～100V。 2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度